1 前言

　　工廠熱工自動化水平的高低是衡量工廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。其中，全自動鍋爐給水及水位的調(diào)節(jié)已經(jīng)完全采用自動的方式加以控制，在不需要操作人員干預(yù)的情況下，可以很好的完成生產(chǎn)過程中的給水及水位控制，大大提高了生產(chǎn)效率。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中水位保持在一定的范圍內(nèi)。只有保證汽包水位的波動在允許范圍內(nèi)，才能實現(xiàn)機組安全經(jīng)濟運行。因此，汽包水位是影響整個機組安全經(jīng)濟運行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來實現(xiàn)汽包水位的控制。

　　鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成水或水蒸氣的熱能的重要設(shè)備，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。國外的鍋爐控制工業(yè)50 ～60 年代發(fā)展最快，70年代達(dá)到高峰。我國的鍋爐工業(yè)是在新中國成立后才建立和發(fā)展起來的，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠,從其在生產(chǎn)和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，主要用于發(fā)電;工業(yè)鍋爐，主要用于直接供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或驅(qū)動機械能源;生產(chǎn)鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應(yīng)該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應(yīng)的出現(xiàn)了，它長期以來就是控制領(lǐng)域的一個典型問題。伴隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動化控制的水平也在逐步提高。計算機很強的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計算功能為實現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進(jìn)的控制理論和控制算法進(jìn)入鍋爐控制已經(jīng)有了可能性。

       在串級控制系統(tǒng)中， 參數(shù)的整定也是非常重要的， 由于在系統(tǒng)中所設(shè)計的對象是確定的，所以只有對調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計算方法和工程整定方法，理論計算方法是基于一定的性能指標(biāo)，結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)特征，通過理論計算求得調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)設(shè)定值;而工程整定法，則是源于理論分析，結(jié)合實驗、工程實際經(jīng)驗等一套工程上的方法，其具體方法將在本設(shè)計中體現(xiàn)。

　2 汽包水位特性

      鍋爐給水管路連接是和機爐連接方式相適應(yīng)的，可分母管制與單元制兩類。母管制給水系統(tǒng)是指具有全廠鍋爐共用的給水母管系統(tǒng)。全廠所有的給水泵都連在給水母管上;而每臺鍋爐的給水調(diào)節(jié)則用各自連接在給水母管上的給水調(diào)節(jié)門進(jìn)行。典型的連接如圖1所示。

圖 1 母管制鍋爐給水系統(tǒng)示意圖

　　在上圖1中，#1門是主給水調(diào)節(jié)閥，#2門是備用主給水調(diào)節(jié)閥，這兩個閥門允許通過100%負(fù)荷的給水量;#3門是旁路給水調(diào)節(jié)閥，允許通過25%~30%左右負(fù)荷的給水量。為了防止調(diào)節(jié)閥全閉時漏流，各條管路上都安裝了電動截止門#4，#5和#6。為了檢修方便，在主給水管路上又安裝了總的電動截門#7 。此外還裝有鍋爐點火時省煤器用再循環(huán)門和事故放水電動截止門#8和#9。

　　另一類是單元制給水系統(tǒng)，每臺單元機組都有自己獨立的給水管路系統(tǒng)。比較典型的有汽動泵、電動泵混合型及單純電動泵組兩種。

　　汽動泵電動泵混合型給水系統(tǒng)共有三臺主給水泵， 其中兩臺是可變速的汽動泵，它們在高負(fù)荷時使用。另一臺是定速電動泵，在單元機組啟動及低負(fù)荷時使用。由于機組啟動階段還不能得到穩(wěn)定的氣源，汽動變速泵無法使用，故先用電動泵。這時電動泵通常是工作在定速工況， 所以需用給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)給水量。為了保證泵在低負(fù)荷時出口有足夠的流量，防止給水泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，安裝了再循環(huán)管路。

　　電動泵組單元制給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的典型形式是三臺可變速電動給水泵并聯(lián)，兩臺運行一臺備用，泵的轉(zhuǎn)速變化依靠液壓聯(lián)軸節(jié)(靠背輪)滑差實現(xiàn)。為了保證泵的安全運行特性，通常也裝有再循環(huán)門和調(diào)節(jié)閥門。

       3 測量信號的自動校正設(shè)計

　　蒸汽參數(shù)和負(fù)荷在很大范圍內(nèi)變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量測量信號的準(zhǔn)確性受到影響。為了實現(xiàn)全程自動控制，要求這些信號能夠自動地進(jìn)行壓力、溫度校正。

       3.1過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度校正設(shè)計

　　過熱蒸汽流量測量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。這種噴嘴基本上是按定壓運行額定工況參數(shù)設(shè)計，在該參數(shù)下運行時， 測量精度是較高的。但在對系統(tǒng)進(jìn)行控制時，運行工況不能基本固定。當(dāng)被測過熱蒸汽的壓力和溫度偏離設(shè)計值時，蒸汽的密度變化很大，這就會給流量測量造成誤差， 所以要進(jìn)行壓力和溫度的校正。

　　可以按下列公式進(jìn)行校正：

　　式中

       D -------- 過熱蒸汽流量;

　　P-------- 過熱蒸汽壓力;

　　T --------過熱蒸汽溫度;　　

      --------節(jié)流件差壓;

　　--------過熱蒸汽密度;

　　k --------流量系數(shù)。

　　3.2水位信號的壓力校正設(shè)計

　　由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測量的準(zhǔn)確性。通常可以采用以下方法進(jìn)行壓力校正。

　　采用電氣校正回路進(jìn)行壓力校正，就是在水位差壓變送器后引入校正回路。

（* 注：pb  - 汽包壓力；H- 汽水連通管之間垂直距離，即最大變化范圍；h- 汽包水位高度；p1 ，p₂- 夾在差壓變送器兩側(cè)的壓力；g s - 飽和蒸汽的密度；g G  - 飽和水的密度；g a - 汽包外平衡容器內(nèi)凝結(jié)水的密度。）

圖 2 汽包水位測量系統(tǒng)　　　

　　圖2 表示單元單容器平衡測量系統(tǒng)。從圖中可以看出：

　　當(dāng)H一定時，水位h是壓差和汽、水密度的函數(shù)。密度g a與環(huán)境溫度有關(guān)，一般可取50℃時水的密度。在鍋爐啟動過程中，水溫略有增加，但由于同時壓力也升高，兩種因素對g a的影響基本上可抵消，即可近似地認(rèn)為g a時恒值。而飽和水和飽和蒸汽的密度g G 和

g s 均為汽包壓力pb 的函數(shù)，即

　　3.3給水流量信號的溫度校正

　　計算和實驗結(jié)果表明：當(dāng)給水溫度為100℃不變， 壓力在0 .1 9 6 -1 9 .6 Mpa范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤差為0.47%;若給水壓力為19 .6 Mpa不變，給水溫度在100- 290℃溫度范圍內(nèi)變化時，給水量測量誤差為13%。所以，對給水流量測量信號可以只采用溫度校正， 若給水溫度變化不大， 則不必對給水流量測量信號進(jìn)行校正。

　　4 系統(tǒng)無擾切換設(shè)計

　　低負(fù)荷時，由于蒸汽參數(shù)低，負(fù)荷變化小，虛假水位現(xiàn)象不太嚴(yán)重，對維持水位恒定的要求又不高，所以允許采用單沖量給水控制系統(tǒng)。此時如果采用多種自動校正措施，則會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整定困難，同時仍然存在誤差。于是出現(xiàn)了低負(fù)荷時采用單沖量，高負(fù)荷時采用三沖量給水控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖 3 單沖量系統(tǒng)與三沖量系統(tǒng)相互切換和跟蹤線路

　　圖中PI1是低負(fù)荷時的單沖量給水調(diào)節(jié)器，它只接受經(jīng)過自動校正后的水位信號。高負(fù)荷時采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)，其中PI2為主調(diào)節(jié)器，接受水位信號。PI3 為副調(diào)節(jié)器，除接受主調(diào)節(jié)器校正信號外，還接受蒸汽流量信號D及給水流量信號W。兩套控制系統(tǒng)的切換是根據(jù)鍋爐負(fù)荷(蒸汽流量)的大小進(jìn)行的。蒸汽流量信號送入

　　偏差報警繼電器1 K J，控制繼電器接點1 C和3 C。當(dāng)單沖量系統(tǒng)運行時，1C閉合，3C斷開。當(dāng)要求三沖量系統(tǒng)運行時，3C閉合，1C斷開。系統(tǒng)的切換在25%負(fù)荷左右進(jìn)行。為了防止因負(fù)荷波動造成系統(tǒng)反復(fù)切換，切換值應(yīng)有10%的滯環(huán)值，就是說由單沖量系統(tǒng)切換為三沖量系統(tǒng)是在30%負(fù)荷下進(jìn)行的，由三沖量系統(tǒng)切換為單沖量系統(tǒng)是在20%負(fù)荷下進(jìn)行的。

　　當(dāng)三沖量系統(tǒng)運行時，要求PI1調(diào)節(jié)器的輸出跟蹤PI3 調(diào)節(jié)器的輸出; 單沖量系統(tǒng)運行時， 要求PI3調(diào)節(jié)器的輸出跟蹤PI1調(diào)節(jié)器的輸出;主調(diào)節(jié)器PI2的輸出應(yīng)保證加法器 ? 的輸出跟蹤給水流量信號。所謂比較線路是由比較器和積分器組成得線路。

　　如果在信號跟隨電路中客觀需要加入一些其他信號， 例如圖3中，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求副調(diào)節(jié)器給定信號跟隨給水流量信號W，在PI1調(diào)節(jié)的積分器后又加入了蒸汽流量信號D，即中間加入了附加信號，仍能使從動信號跟隨主動信號。這是因為電路中有積分器和負(fù)反饋，并形成閉合回路，最后總能使比較器輸入信號代數(shù)和為零，始終使加法器輸出(即副調(diào)的給定值)跟蹤給水流量W值，保證副調(diào)節(jié)器入口偏差為零，從而保證無擾切換。